Введение к работе
Актуальность проблемы. Программой реструктуризации угольной отрасли намечено сокращение в шахтном фонде доли нерентабельных угольных предприятий, среди которых закрытию подлежат 80 шахт и 27 разрезов. Основными причинами низкой рентабельности большинства действующих предприятии являются сокращение вскрытых и подготовленных запасов угля, благоприятных для использования высокопроизводительного отечественного и зарубежного оборудования, а также недостаточная гибкость технологических схем, обусловленная сложностью их структуры, низким уровнем эксплуатационной надежности и адаптивности к изменяющимся горно-геологическим условиям и конъюнктуре рынка.
Одним из направлений выхода из сложившейся ситуации является создание интенсивных технологий добычи и переработки угля, основу которых составляют высокопроизводительные элементы традиционных и нетрадиционных способов разработки угольных месторождений. Новые интенсивные технологии должны соответствовать комплексу требований, среди которых обеспечение малооперационности, гибкости, мобильности, поточности н экологической безопасности производства.
Среди известных технологий добычи угля в большей степени указанным требованиям соответствует в первую очередь подземная гидротехнология, которая обладает как положительными свойствами (высокая производительность, малоопе-рашюиность, поточность), так. лі отрицательными (большая энергоемкость, низкая надежность отдельных элементов, повышенный износ оборудования). Технология открытых горных работ в свою очередь может рассматриваться как альтернативный вариант с присущим ей комплексом достоинств и недостатков: высокая производительность, безопасные условия труда, негативное экологическое воздействие на окружающую среду, высокая зольность горной массы, ограниченная область применения и т. п.).
Исследованиями, направленными на создание интенсивных технологий с параметрами, отвечающими современному уровню развития научно-технического прогресса в отрасли, и
способных б изменяющихся горно-геологических условиях обеспечивать качество продукции, соответствующее требованиям рынка, заняты коллективы ученых и специалистов ИГД им. А.'А. Скочинского, ИПКОН, ИФЗ РАН, ВНИМИ, НИГРИ, НИОГР, ИГД СО РАН, Института угля СО РАН, ВостНИИ, ВНИИгидроутля, КузНИУИ, Центрогипрошахта, Сибгипро-шахта, Кузбасспшрошахта, МГГУ, С-ПбГИ, КузГТУ, Сиб-ГГМА и многих других организаций. Однако результаты этих исследований не привели к созданию интенсивных технологий, обеспечивающих значительный рост технического уровня производства и конкурентоспособности продукции действующих шахт и разрезов России на внутреннем и внешнем рынках в современных экономических условиях.
В связи с изложенным можно утверждать, что теоретическое обоснование и создание интенсивных, гибких, высокоадаптивных технологий и технических средств, обеспечивающих форсированный возврат инвестиций и успешное решение экономических, социальных и экологических задач угледобывающих регионов, представляет актуальную научную проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение.
Целью работы является установление закономерностей функционирования прогрессивных элементов технологических систем угледобывающих предприятий в различных горно-геологических условиях для создания интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок, обеспечивающей повышение эффективности и экологической безопасности отработки запасов угольных пластов.
Идея работы заключается в направленной дезинтеграции существующих технологических систем угледобывающих предприятий и поэтапном синтезе новой интенсивной техно-гии добычи и первичной переработки угля с учетом специфики проявлений геомеханических и технологических процессов в условиях взаимного влияния открытых и подземных горных работ.
Методы исследований. В диссертации использован комплексный метод исследований, включающий технико-экономический анализ, обобщение и научно-техническое прогнозирование состояния и путей развития подземной гидромеханизи-рованноп и открытой добычи угля, технологическое моделирование, математическое моделирование, закономерностей взаимодействия открытых н подземных горных работ, системный анализ функционирования элементов технологических систем угледобывающих предприятии, производственные эксперименты с использованием апробированных и специально разработанных методик, экономико-математическое моделирование для установления области эффективного использования разработанных технико-технологических решений.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Научной основой конструирования вариантов интенсивной технологии подземной гидромехаиизированнон добычи угля из открытых горных выработок является концепция, предусматривающая реализацию системного подхода к поэлементному анализу технологических систем угледобывающих предприятий, интеграции элементов в группы, анализу последствий взаимодействия групп, созданию новых объединяющих группы элементов и синтез гибких технологических схем, способных к адаптации с учетом изменений горно-геологических условий и конъюнктуры рынка.
-
Приоритетными технологическими и техническими решениями, обеспечивающими высокий уровень интенсификации добычи угля, являются: вскрытие угольных пластов поэтапно углубляемыми разрезными траншеями, подготовка запасов к выемке делением на блоки диагональными подземными горными выработками, переход на поточные малооперационные технологии очистных и подготовительных работ на основе гидромеханизации и переработка горной массы в технологическом цикле угледобывающего предприятия.
-
Корректная оценка механизма деформирования угле-вмещающего массива при взаимовлиянии открытых и подземных горных работ обеспечивается с использованием адаптивной математической модели для решения задачи прогнозирования распределения смещений горных пород в двух- и трехмерном пространстве.
-
Выявление закономерностей изменения геомеханическои обстановки в очистных забоях при интенсивной технологии подземной гидромехаиизированнон добычи угля из открытых горных выработок от основных горно-геологических и технологических факторов (глубина разработки, мощность пластов, угол падения, свойства вмещающих пород, топология сети открытых н подземных горных выработок и др.), являет собой научную базу для обоснования рациональных вариантов и параметров технологических схем, адаптированных поэлементно и интегрирование к заданному диапазону условий их применения.
-
Высокая адаптивность интенсивной технологии подземной гидродобычи угля из открытых горных выработок достигается применением многофункциональных элементов технической базы, включающей очистные и проходческие агрегаты, средства механизации транспорта и возведения крепи, комплексы модульного типа по переработке горной массы.
-
Эффективность применения технологии угледобычи из открытых горных выработок проявляется через форсированный возврат инвестиций за счет сокращения сроков строительства и поэтапного ввода в эксплуатацию гидроучастков с рациональными качественными и количественными характе-
ристиками их технологических схем, определяемыми посредством экономико-математического моделирования.
-
По критерию экономической отдачи наиболее высокий ранг предпочтения имеет вариант технологии с отработкой запасов выше горизонта открытых горных работ действующего разреза, далее следуют варианты с отработкой запасов выше дна разрезной траншеи, с ведением работ ниже эксплуатационного горизонта разреза и с отработкой запасов ниже дна разрезной траншеи.
-
Высокий уровень эффективности функционирования единой технологической системы «выемка угля — самотечный гидротранспорт— магистральный транспорт с переработкой горной массы — подъем» достигается на базе реализации поточной технологии обезвоживания угля при его транспортировании без разделения на классы.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
значительным объемом длительных аналитических и экспериментальных исследований при разработке и внедрении предложенных вариантов технико-технологических решений;
удовлетворительной сходимостью (85—90%) прогнозируемых и фактических показателей при эксплуатации 3 гидроучастков с элементами интенсивной технологии подземной гид-ромеханизпрованной добычи угля из открытых горных выработок;
повышением фактической производительности труда на гидроучастках в 1,7—2,0 раза по сравнению с производительностью на разрезах и 3—6 раза — на шахтах с традиционной технологией;
использованием при реальном проектировании и эксплуатации разработанного оборудования на 3 угледобывающих предприятиях Кузбасса.
Научная новизна работы.
-
Разработана концепция создания интенсивной технологии подземной гидромеханнзпрованной добычи угля из открытых горных выработок, предусматривающая синтез вариантов технологии на основе: декомпозиции существующих технологических схем на элементы, последовательного интегрирования элементов в группы, научного обоснования техни-ко-тсхнологпческнх решений, являющихся базой для объединения групп в единую технологическую систему.
-
Предложено конструирование альтернативных вариантов интенсивной технологии осуществлять с использованием: варианта схемы вскрытия угольных пластов поэтапно углубляемыми разрезными траншеями при подготовке запасов делением на блоки диагональными подземными горными выработками, поточных малооперационных технологий очистных и подготовительных работ на основе гидромеханизации.
-
Разработано методическое обеспечение прогнозирования деформаций массива горных пород в двумерном и трехмерном пространствах при взаимодействии открытых и подземных горных работ.
-
Установлены закономерности изменения минимально устойчивой ширины выемочных столбов и барьерных целиков, предельных обнажений пород кровли и допустимых деформаций контура подземных горных выработок от глубины разработки, мощности и угла падения пластов, топологии сети открытых и подземных горных выработок и сейсмических параметров массовых взрывов.
-
Разработаны варианты и обоснованы параметры интенсивной технологии подземной гидромехапизнрованной добычи угля из открытых горных выработок с использованием технической базы нового поколения.
-
Разработана методика оптимизации параметров технологических схем угледобычи и области их применения в широком диапазоне изменении горно-геологических условий и конъюнктуры рынка по критерию максимальной прибыли с учетом ограничении по срокам возврата инвестиций.
-
Разработана классификация вариантов интенсивной технологии, позволяющая определять ранги предпочтения их в направлении достижения максимальной прибыли с учетом схемы вскрытия угольных пластов и положения вскрытых запасов относительно горизонта открытых горных работ.
Научное значение диссертации состоит в создании методической базы конструирования и оптимизации параметров интенсивной технологии подземной гидромехапизнрованной добычи угля из открытых горных выработок иа основе выявленных закономерностей функционирования ее элементов в гео-мехапической обстановке, определяемой взаимным влиянием открытых и подземных горных работ.
Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют:
конструировать альтернативные варианты интенсивной технологии подземной гидромехашгзироваиной добычи угля из открытых горных выработок при проектировании отработки запасов угля в условиях ограниченных инвестиций;
прогнозировать характеристики проявлений геомеханических процессов в углевмещающем массиве при взаимном влиянии открытых и подземных горных работ;
объективно выбирать варианты интенсивной технологии подземной гидромеханизированпоя добычи угля из открытых горных выработок, обеспечивающие при эксплуатации высокую прибыль и быстрый возврат инвестиций;
использовать разработанные средства механизации очистных, подготовительных и транспортных работ, обезвоживающие и перерабатывающие установки при техническом перево-
оруженип действующих и строительстве новых угледобывающих предприятий;
повысить эффективность использования инвестиций за счет-рентабельной отработки балансовых и забалансовых для традиционных технологий запасов угля;
внести действенные коррективы в практику проектирования угледобывающих предприятий в направлении учета сбалансированной интеграции открытых и подземных горных работ.
Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные в диссертации, использованы:
при составлении каталога «Оборудование и технологические схемы для подземной гидравлической добычи угля»; Методики расчета параметров гидравлической выемки угля в коротких очистных забоях; Методики определения устойчивости механогидравлических комбайнов и обоснования параметров технологии подготовки и отработки крутых пластов наклонными блоками;
рекомендации по обоснованию параметров и выбору технологических схем гидроучасгков разрезов «Листвянский», «Кедровский» АООТ «Концерн Кузбассразрезуголь» и шахты «Нагорная» АОУК. «Кузнецкуголь» использованы при реальном проектировании институтом ВНИИгидроуголь;
при внедрении рекомендаций автора на 3 гидроучастках-АОЗТ «Фэсткол» в 1996 г. была достигнута добыча 448 тыс.т, а на разрезе «Листвянский» была осуществлена переработка горной массы с интенсивностью 2,5 тыс. т в сутки;
результаты исследований используются в учебных процессах по дисциплинам профиля специальности 0902 в Московском государственном горном университете и Сибирской государственной горно-металлургической академии.
Суммарный экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 91,489 млрд. руб. в ценах 1996 г. (доля автора 5% равна 4,574 млрд. руб.).
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивная п безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (Москва, 1989); Научном совете по выполнению государственной научно-технической программы «Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр России» при Министерстве науки и технической политики РФ (Москва, 1994); Международной научно-практической конференции «Проблемы реформирования региональной экономики» (Кемерово, 1994); Научно-технической конференции «Экологические проблемы горного производства, переработки и размещения отходов» (Москва, 1995); Международном симпозиуме «Современное горное дело: образование, наука, про-
мышленностъ» (Москва, 1996); Научном симпозиуме «Неделя горняка-97» (Москва, 1997); Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1996-1997); научно-технических советах государственной угольной компании «Росуголь» (Москва, 1993—1996); научных семинарах кафедры ТПУ Московского государственного горного университета (Москва, 1993—1997); ученых советах института ВНИИгид-роуголь (Новокузнецк, 1994—1996).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 64 печатных трудах, включая 3 монографии, 25 патентов РФ и авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов и заключения, изложена на 322 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 213 наименований и приложения.
Автор выражает благодарность Л. А. Пучкову, Ю. Н. Кузнецову, А. С. Малкнну, С. А. Ярупину. 10. Ф. Васючкову за методическую помощь и ценные консультации при работе над диссертацией, а также коллективу ученых и специалистов института ВНИИгидроуголь за участие в производстве экспериментов и апробации разработанных технико-технологических решений.
